無速度傳感器的新型直線伺服電機控制方法
劉新輝，陳志華
(國防科技大學，湖南長沙410073)
摘要：分析了速度反饋在直線伺服刀架中的作用以及安裝速度傳感器所帶來的問題，提出了不用速度傳感器遞區(qū)而采用微分加濾波從位移信號中分離出速度信號的方法，并進行了理論推導。最后通過實進行了驗證，得出微分濾波器可以代替速度傳感器的結論。實際應用表明，采用該方法既降低成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性。
關鍵詞：非圓；速度傳感器；速度反饋；位移
中圖分類號：TM383．4 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)12—0048—02
0引 言
目前，非圓截面零件的數(shù)控加工已相當普遍，如中凸變橢圓活塞外圓的車削加工就是典型的非圓加工。活塞專用數(shù)控車床由于精度高、柔性好、穩(wěn)定性好而得到了廣泛應用�；钊麛�(shù)控車床的核心部件是其高頻響直線伺服刀架，目前大多數(shù)車床采用音圈式直線電動機作為驅(qū)動源。有關音圈式直線電動機的控制方法，國內(nèi)有很多文獻作了報道[1-4]。綜合起來大概有兩種控制方式：一種是基于輸出反饋的控制方式，另一種是基于狀態(tài)反饋的控制方式。從實踐的情況來看，后者在動態(tài)響應性能和抗切削力干擾方面明顯要優(yōu)于前者。不過，采用狀態(tài)反饋方式由于需要觀察速度狀態(tài)，必須采用速度傳感器。而正是由于速度傳感器的引入，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)維護的負擔。為此，本文采用單傳感器實現(xiàn)狀態(tài)反饋控制方式，在節(jié)約成本的同時提高系統(tǒng)的可靠性。
1采用速度傳感器的直線伺服刀架
為了去除速度傳感器，首先要弄清速度傳感器在直線伺服刀架中的作用。直線伺服刀架的機械結構簡圖如圖l所示[5]。
鐵心1、磁鐵、鐵心2以及磁隙一起構成閉合磁路。鐵心l與鐵心2之間的磁隙很小，便于在磁隙中形成一個近似的勻強磁場。線圈、刀桿、彈簧、車刀固連構成伺服刀架的可動部分，這里簡稱為彈簧刀架。速度傳感器和位置傳感器用于測量彈簧刀架的速度和位移量。根據(jù)電磁理論：當在線圈中通以電流時，線圈會在磁場中受到電磁力的作用。刀桿在電磁力和彈簧彈力的共同作用下會產(chǎn)生軸向位移，其位移量y(t)與輸入電流i(t)的關系可以表示為：
由于c值非常小，直線伺服刀架是一個小阻尼的二階系統(tǒng)，其動態(tài)響應性能太差，表現(xiàn)為其階躍響應超調(diào)太大和振蕩次數(shù)太多，無法實現(xiàn)對刀架的快速精確控制。為了改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，引入位置環(huán)和速度環(huán)相結合的控制機制，速度環(huán)的原理框圖如圖2所示。
根據(jù)圖2，輸出位移y(t)與參考信號y(t)的傳遞函數(shù)關系可以表示為：
由式(2)可知，G2(s)仍然是一個典型的二階統(tǒng)。ζ為阻尼系數(shù)，通過調(diào)整速度反饋增益k2，可使得阻尼系數(shù)ζ=0．7，從而可得到較理想的動態(tài)響應。通過以上分析可以看出，速度反饋的作用就是通過增加系統(tǒng)阻尼提高內(nèi)環(huán)的動態(tài)性能。由于速度環(huán)的存在，降低了位置環(huán)控制器的設計難度，為得到高性能的伺服系統(tǒng)打下了基礎。
2從位置傳感器提取速度信號
電感式速度傳感器具有結構簡單、后續(xù)處理方便、信號失真小等優(yōu)點，然而，電感式速度傳感器也有其不足之處，主要表現(xiàn)為安裝困難和容易損壞。電感式速度傳感器及其附屬電路是車床使用中重要的故障源之一。
從降低成本和提高系統(tǒng)可靠性出發(fā)，可以考慮不用速度傳感器而從位移信號中提取速度信號。伺服刀架采用電渦流傳感器檢測位移信號，具有測量精度高、頻帶寬等優(yōu)點。由于電渦流傳感器輸出的位移信號為模擬量，因此可以通過對位移信號的微分來獲取速度信號，具體物理實現(xiàn)如圖3所示。其中，ui(t)為來自渦流傳感器的位移信號，u0(t)為速度信號輸出：
由于位移傳感器是一個比例環(huán)節(jié) |
